تطبيقات مشعات الحرارة المصنوعة من نيتريد الألومنيوم (AlN)

تشمل الأنواع الشائعة من مشعات الحرارة الخزفية المصنوعة من الألومنيوم (AlN) مشعات الحرارة الشعاعية الخزفية (AlN) ذات الزعانف الدائرية، والمشعاع الحراري (AlN) ذي الزعانف اللوحية (AlN) ذي الزعانف اللوحية، كما هو موضح في الشكل أدناه. تُعدّ هذه المشعات مناسبة للاستخدام في إلكترونيات الطاقة، وأنظمة السيارات، والطاقة الكهروضوئية، وتقنيات LED.

خصائص أداء مشعات الحرارة الخزفية المصنوعة من AlN - قدرات الإدارة الحرارية الفعالة

• تتيح الموصلية الحرارية العالية نقل الحرارة بسرعة من المكونات النشطة
• عزل كهربائي مناسب لتطبيقات الجهد العالي
• مقاومة الأكسدة حتى 900 درجة مئوية
• مقاومة للتآكل الكيميائي والرطوبة
• كثافة أقل، أخف من الألومنيوم بنحو 30%
• آمنة بيئيًا ومتوافقة مع معايير التصنيع الخضراء

بفضل هذه السمات، تُستخدم سيراميكات AlN بشكل شائع في التطبيقات الإلكترونية التي تتطلب طاقة عالية وموثوقية.

أين يتم استخدام مشعات الحرارة الخزفية AlN بشكل أساسي؟？

1. إلكترونيات الطاقة ووحدات IGBT

تعتمد الإلكترونيات القوية على وحدات IGBT، وهي مكونات رئيسية في أنظمة السكك الحديدية عالية السرعة، والمركبات الكهربائية، وطواحين الهواء، ومحطات القاعدة 5G.

نظراً لطاقتها الإنتاجية العالية وتوليدها حرارة عالية، تتطلب هذه الوحدات مواد قادرة على إدارة الأحمال الحرارية بكفاءة. ركائز سيراميك AlN، بموصليتها الحرارية العالية ومعاملات التمدد الحراري التي تتطابق تماماً مع رقائق السيليكون، تقلل من الإجهاد الحراري وتعزز موثوقية وعمر وحدات الطاقة.

تتضمن التطبيقات الشائعة ما يلي:

• أنظمة الجر في النقل بالسكك الحديدية
• محركات السيارات الصناعية وحلول التنقل الكهربائي
• نقل التيار المستمر عالي الجهد (HVDC)
• مصادر الطاقة غير المنقطعة (UPS)
• محولات الطاقة المتجددة مثل محولات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح

2. أنظمة التغليف والإضاءة LED

مع تطور تقنية LED نحو كثافات طاقة أعلى، أصبحت الإدارة الحرارية الفعالة أكثر أهمية. توفر ركائز سيراميك AlN المزيج الضروري من التوصيل الحراري العالي، والاستقرار الحراري، ومعدلات التمدد المنخفضة، والعزل الكهربائي.

يتم استخدامها على نطاق واسع في حزم LED متوسطة إلى عالية الطاقة مثل الرقاقة المقلوبة، والترابط الأيوتكتيكي، والشريحة على اللوحة (COB)، والتغليف على نطاق الشريحة (CSP)، والتغليف على مستوى الرقاقة (WLP).

يساعد التبريد الفعّال على الحفاظ على كفاءة الإضاءة وإطالة عمر مصابيح LED. يُلاحظ عمومًا أن خفض درجة حرارة الوصلة بمقدار 10 درجات مئوية يُضاعف عمر مصابيح LED.

3. وحدات الطاقة الكهروضوئية وأنظمة الطاقة الشمسية المركزة

في تطبيقات الطاقة الكهروضوئية المركزة (CPV/HCPV)، يتم تركيز الإشعاع الشمسي على خلايا شمسية صغيرة عالية الكفاءة، مما يؤدي إلى رفع درجات الحرارة المحلية بشكل كبير.

وبدون استراتيجيات مناسبة لتبديد الحرارة، فإن أداء ومتانة هذه الخلايا سوف يتدهور بسرعة.

تسهل ركائز السيراميك AlN، الموضوعة بين الشريحة ومبدد الحرارة باستخدام مواد الواجهة الحرارية (TIMs)، نقل الحرارة بكفاءة، مما يساهم في تحسين كفاءة النظام والاستقرار على المدى الطويل.

4. الأجهزة الإلكترونية الدقيقة والبصرية

بالإضافة إلى تطبيقات الطاقة التقليدية، يتم استخدام سيراميك AlN في معدات معالجة أشباه الموصلات والأجهزة البصرية الإلكترونية، بما في ذلك:

• أحواض الحرارة
• الموزعات الحرارية
• تشاكس
• مشابك حلقية
• ركائز الدائرة
• طبقات العزل
• موصلات كهربائية ساكنة
• وحدات إدارة الحرارة بالليزر
• أنظمة حزم الميكروويف

إن دورها حيوي في الحفاظ على الأداء المستقر في ظل ظروف التشغيل ذات درجات الحرارة العالية والتردد العالي.

أشكال منتجات مشعات الحرارة الخزفية AlN

اعتمادًا على احتياجات التطبيق المحددة، تتوفر سيراميك AlN في مجموعة متنوعة من الأشكال والتكوينات، مثل:

• مشعات حرارية للأنظمة عالية الطاقة
• بوتقات لصهر المعادن
• قضبان وسخانات سيراميك AlN
• ركائز سيراميكية مصممة حسب الطلب
• Components for semiconductor manufacturing
• وصلات كهربائية ثابتة وألواح حرارية

تمكننا معدات CNC المتقدمة من تصنيع أجزاء AlN أكثر تعقيدًا ودقة، مثل أشكال المروحة، مما يؤدي إلى توسيع نطاق التطبيقات بشكل كبير.

ما هي التحديات الرئيسية وأين يتجه البحث في سيراميك نيتريد الألومنيوم؟

في الواقع، لا تنقل سيراميكات AlN الحرارة بشكل جيد كما تشير النظرية، وذلك أساسًا بسبب عيوب البلورات، والشوائب، ومشاكل حجم الحبوب، والتلوث بالأكسجين.

كما أن عملية صب الشريط القياسية التي نستخدمها في التصنيع لها عيوب - فالإضافات العضوية في الملاط تمنع التكثيف المناسب وتفسد محاذاة الحبوب، مما يؤثر سلبًا على أداء المادة.